Lämpöä siirtävä kvasihiukkanen

Ohio State Universityn tutkijat ovat löytäneet kiinteistä materiaaleista kvasihiukkasen, joka voi siirtää lämpöä sähköisesti ohjaten

Tutkijat osoittavat, että kvasihiukkaset, jotka liikkuvat aaltomaisesti värähtelevien atomien keskuudessa, kuljettavat riittävästi lämpöä muuttaakseen materiaalin lämpökytkimeksi, kun siihen kohdistetaan ulkoinen sähkökenttä.

Tutkimuksen keskeinen havainto on, että tämä lämmönjohtavuuden hallinta johtuu pikemminkin materiaalin rakenteesta kuin sattumanvaraisista atomien törmäyksistä..

Tutkimuksessa käytetty materiaali on tavallista pietsosähköistä lyijyzirkoniumtitanaatin keramiikkaa. Sen ferrosähköiset osat, ovat materiaaleja, joissa atomien sähkövaraukset voivat muodostaa spontaanisti sähköisiä dipoleja, jotka kaikki asettuvat samaan suuntaan muodostaen polarisaatiota. Nämä dipolit voidaan vaihtaa ulkoisella sähkökentällä.

Aiemmin tieteilijät eivät ole raportoineet, kuinka tämä polarisaatio liikkuu lämmön vaikutuksesta. Uudessa artikkelissa tätä liikettä kuvataan kvasihiukkasella, jota kutsutaan ferroniksi, joka kuljettaa polarisaatio- ja lämpöaaltoja samanaikaisesti. Rauta on herkkä ulkoiselle sähkökentälle, mikä tarkoittaa, että ulkoisen sähkökentän käyttö voi muuttaa materiaalin lämpökytkimeksi.

"Kvasihiukkanen on aina ollut siellä. Sitä ei vain ole tunnistettu ja mitattu", sanoo tohtoriopiskelija Brandi Wooten.

Tämä lämmönsiirron ominaisuus indusoituu sähkökentällä pietsosähköisen jännityksen kautta: hila supistuu tai venyy, jolloin atomit ja voimat niiden välillä liikkuvat edestakaisin, mikä lopulta muuttaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia ja seurauksena sen lämmönjohtavuuden muuttaminen, sanoo professori Joseph Heremans.

”Rauta on myös herkkä kiinteän aineen rasitukselle. Koska rauta kuljettaa lämpöä, se tekee kuljetetun lämmön määrän riippuvaiseksi sähkökentästä", hän sanoi. "Joten kirjoitimme uuden teorian, joka liittyy ulkoiseen sähkökenttään, sen aiheuttamaan jännitykseen ferrosähköisessä ja lopulta kuinka tämä jännitys vaikuttaa lämmönjohtavuuteen."

Teoria on ennustava, joten tutkijat voivat nyt käyttää sitä löytääkseen materiaaleja, joissa vaikutus on paljon suurempi.

Tämä ei ole vain akateemista kiinnostusta. Yli 70 % ihmiskunnan käyttämästä energiasta tulee lämpölähteistä joten lämpöä aktiivisesti ja dynaamisesti säätelevät laitteet ovat teknologisesti tärkeitä.

Lämpökytkimet hallitsevat, ohjaavat tai keskeyttävät lämmön virtausta järjestelmässä. Ne mahdollistavat lämpötasasuuntaajien, lämpötransistoreiden, lämmönsäätimien ja vastaavien luomisen.

Ne voivat lisätä kokonaisten lämpökoneluokkien termodynaamista hyötysuhdetta, etenkin kun ne toimivat ajasta riippuvaisissa lämpökuormissa, kuten aurinkolämpöjärjestelmissä, kirjoittavat tutkijat tutkimusraportissaan.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiaskel lämpökytkimelle

Grafeenista lämpödiodi ja ITO:n korvaaja